完成操作系统第二章进程与线程

content/408/《操作系统》进程与线程.md

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 ## 线程
 
+### 难点和常考点
+
+* 进程与程序的区别和联系
+  * 进程是动态的，程序是静态的
+  * 进程 = 程序+数据+PCB
+  * 程序 = 一组有序的指令集合
+  * 进程是动态创建消失的，程序是永久存在的，可长期保存
+  * 进程= 程序的一次执行过程
+  * 程序 = 一组代码的集合
+  * 进程可以执行一个或几个程序，程序也可以构成多个进程
+  * 进程可以创建进程，程序不可以创建程序
+* 死锁与饥饿
+  * 定义
+    * 死锁 = 两个或多个进程无限地等待一个事件，而该事件只能由这些等待进程之一来产生
+    * 饥饿/无限期阻塞 = 进程在信号量内无穷等待的情况
+  * 差别
+    * 饥饿并不代表系统一定会死锁，但至少有一个进程的执行被无限期推迟
+    * 进入饥饿的状态进程可以只有一个，但进入死锁状态的进程鼻血大于等于2个
+    * 处于饥饿状态的基础可以是一个就绪进程，但是死锁状态的进程必定时阻塞进程
+* 同步与互斥的区别和联系
+  * 同步：进程之间竞争使用临界资源，只能让他们逐个使用
+  * 互斥：进程之间协同完成任务，在关键点上等待另一个进程发来的消息，以便协同一致
+
 ### 常考知识点
 
 * 交换数据
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 * 进程与进程的关系
   * 进程与进程之间完全隔离，线程与线程之间没有隔离
     * 一个进程的状态变化可能引起另一个进程的状态变化
-    * 如大衣呢进程结束后可能改变另一个等待打印机的进程
+    * 如打印机进程结束后可能改变另一个等待打印机的进程
 * 各种状态
   * 死锁的进程位于阻塞态，不可能所有进程都处于就绪态，但可以所有的进程都处于阻塞态（死锁的时候）
   * 就绪队列进程的多少与处理器的效率无关，只有当就绪队列为空时，CPU进入等待态，CPU效率下降
@@ -685,4 +708,259 @@ P2(){
 
 ```
 
+### 经典同步问题
+
+#### 生产者-消费者问题
+
+* 问题描述
+  * 系统中有一组生产者进程和一组消费者进程
+  * 生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区
+  * 消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用
+  * 任何时刻，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区
+
+* 同步与互斥关系和设置的信号量
+  * 题目的同步互斥关系
+    * 缓冲区：生产者、消费者共享一个初始为空，大小为n的缓冲区
+    * 同步关系1：只有缓冲区没满时，（优先级高），生产者才能把产品放入缓冲区（优先级低），否则必须等待
+    * 同步关系2：只有缓冲区不空时（优先级高），消费者才能从中取出产品（优先级低），否则必须等待
+    * 互斥关系：缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问
+  * 设置的信号量
+    * empty
+      * 同步信号量（对应同步关系1）
+      * 表示生产者还能生成多少，即还能放入缓冲区多少产品
+      * 该数量小于等于0，则生产者不能生产
+      * 初始化为n
+    * full
+      * 同步信号量（对应同步关系2）
+      * 表示消费者还能从缓冲区取出多少，即当前缓冲区已有产品的数量
+      * 该数量小于等于0，则消费者不能进行读取
+      * 初始化为0
+    * mutex
+      * 互斥信号量
+      * 实现对缓冲区的互斥访问
+      * 初始化为1
+* 代码
+
+```C
+
+semaphore empty = n;//同步信号量
+semaphore full = 0;//同步信号量
+semaphore mutex = 1;//互斥信号量
+
+//生产者
+
+producer(){
+  while(1){
+    P(empty);//申请一个生产者可用数量
+    p(mutex);//互斥使用缓冲区
+    把产品放入缓冲区
+    V(mutex);//释放缓冲区占用
+    V(full);//增加一个消费者可用数量
+  }
+}
+
+//消费者
+consumer(){
+  P(full);//申请一个消费者可用数量，若该信号量小于等于0，则阻塞，不进行消费
+  p(mutex);//互斥使用缓冲区
+  从缓冲区中取出一个产品
+  V(mutex);//释放缓冲区占用
+  V(mutex);//增加一个缓冲区/生产则可用数量
+}
+
+
+```
+
+#### 读者-写者问题
+
+* 问题描述
+  * 一些进程只读数据，称“读者”
+  * 另一些会对数据进行修改，称“写者”
+  * 写者与写者互斥，写者与读者互斥
+  * 读者之间不互斥
+* 同步互斥关系与信号量
+  * 写进程
+    * 互斥访问，保证写者和读者互斥，写者和写者互斥
+  * 读进程
+    * 若为第一个读者，实现与写者的互斥，若为后继读者，则不需要
+    * 若为最后一个读者，需要考虑唤醒阻塞的写者，以便能够让写者有机会进入临界区
+* 设置信号量
+  * writemutex:控制写者互斥的访问共享数据，初值为1；
+  * readCount:读者计数器，记录当前读者数，初值为0；
+  * readmutex:控制读者互斥访问readcount，初值为1；
+* 代码
+
+
+```C
+
+//写进程
+do{
+  wait(writemutex);
+  //写者完成编写
+  signal(writemutex);
+}while(true);
+
+//读进程
+
+do{
+  wait(readmutex);
+  readcount ++;
+  if(readcount == 1)
+  wait(writemutex);
+  signal(readmutex)
+
+  //执行读
+
+  wait(readmutex);
+  readcount --;
+  if(readcount ==0)
+  signal(writemutex);
+  signal(readmutex);
+
+}while(true);
+
+```
+
+#### 哲学家进餐问题
+
+* 问题描述
+  * 5个哲学家围绕一张圆桌而坐，桌上放着5根筷子，哲学家进餐时需要同时拿起左边和右边的筷子
+  * 思路一
+    * 对于每一个哲学家，先等待左边的筷子可用，然后等待右边的筷子可用
+    * 吃饭
+    * 放下两根筷子
+  * 问题
+    * 极端情况下，5个哲学家同时拿起左边的筷子，势必会造成每个人都只有左筷子而没有右筷子，造成死锁现象
+  * 解决方法
+    * 同时最多允许四个哲学家围坐在桌子周围
+    * 只有哲学家两侧的筷子都可用时才允许他捡起筷子
+  * 代码
+  
+```c
+
+do{
+  Swait(chopstick[(i+1)%5],chopstick[i]);
+  //eat
+  Ssignal(chopstick[(i+1)%5,chopstick[i]]);
+  //think
+}while(true);
+
+
+```
+
+## 死锁
+
+### 常考点
+
+* 每个进程都分得一个资源，而且还有多余的资源可让任意一个进程使用，则不出现死锁
+* 多道程序技术要求进程间能够实现并发，需要实现进程调度保证CPU的工作效率，而并发性的实现需要中断功能的支持
+* 系统资源不足不是系统产生死锁的原因，资源不足只会对进程造成饥饿
+* 设进程有X个，每个进程最多请求使用3个A资源，系统有11个A资源，则不会出现死锁的最大X为
+  * 2*X + 1 =11，解得X = 5（极端情况时，每个进程分配2个A资源，只要有一个资源就不会出现死锁）
+
+
+### 死锁概念
+
+* 死锁是多个进程因为竞争资源而造成的一种互相等待
+* 死锁的充分条件：资源分配图中每个资源只有一个，又出现了环路
+  
+### 死锁产生原因
+
+* 系统资源的竞争【空间上】
+  * 系统中不可剥夺资源不足以满足多个进程
+  * 只有对不可剥夺资源的竞争才可能产生死锁
+* 进程推进顺序非法【时间上】
+  * 进程运行时，请求和释放资源的顺序不当
+  * 系统对独占资源分配不当
+  
+### 产生死锁的必要条件
+
+* 需要同时满足以下四个条件
+  * 互斥条件：多个线程不能同时使用同一个资源
+  * 不剥夺条件：进程A已经拥有资源1，在自己使用完之前不能被其他进程获取
+  * 请求并保持条件：进程A已经有资源1，想申请资源2，但是资源2被进程B持有，进程A处于等待状态，但是进程A不释放资源1
+  * 循环等待条件：两个线程获取资源的顺序构成了环形链
+
+
+### 如何解决死锁
+
+* 死锁预防
+  * 破坏互斥条件
+    * 缺点：打印机等临界资源只能互斥使用
+    * 举例
+      * 方法不可行
+  * 破坏不剥夺条件
+    * 常用于状态易于保存和恢复的资源（CPU的寄存器和内存资源）
+    * 举例
+      * 剥夺资源法
+  * 破坏请求并保持条件
+    * 可能会导致饥饿现象
+      * 举例
+        * 一次性分配策略
+  * 破坏循环等待条件
+    * 可采用顺序资源分配法，但是编号必须相对稳定，限制了新类型设备的增加
+      * 举例
+        * 资源有序分配策略
+* 死锁避免
+  * 安全性算法
+  * 银行家算法
+  * 死锁包含在不安全状态之中【系统处于安全状态时，一定无死锁；系统处于不安全状态时，不一定出现死锁】
+  * 死锁避免时不会限制用户申请资源的顺序，需要进程运行所需资源的总量信息，不会给可能导致死锁的进程分配资源
+* 死锁检测
+  * 资源分配图
+    * 资源分配图是一个有向图，用于表示某时刻系统资源与进程之间的状态
+    * 圆圈表示进程，框表示一类资源，从进程到资源的边叫做请求边，从资源到进程的边叫做分配边
+  * 死锁定理
+    * S为死锁的条件是当且仅当S状态的资源分配图是不可完全简化的
+* 死锁解除
+  * 资源剥夺法
+    * 资源剥夺法：挂起某些死锁进程，并抢占它的资源
+    * 撤销进程法：强制撤销部分甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源
+    * 进程回退法：让一个或多个进程回退到足以回避死锁的地步
+* 各策略比较
+  * 死锁预防
+    * 资源分配策略
+      * 保守，宁可资源闲置
+    * 各种可能模式
+      * 一次请求所有资源，资源剥夺，资源按序分配
+    * 主要优点
+      * 适用于突发式处理的进程，不必进行剥夺
+    * 主要缺点
+      * 效率低，进程初始化时间延长，剥夺次数过多，不便灵活申请新资源
+  * 死锁避免
+    * 资源分配策略
+      * 是预防和检测的折中（运行时判断是否可能死锁）
+    * 各种可能模式
+      * 寻找可能得安全允许顺序
+    * 主要优点
+      * 不必进行剥夺
+    * 主要缺点
+      * 必须知道将来的资源需求，进程不能被长时间阻塞
+  * 死锁检测
+    * 资源分配策略
+      * 宽松，只要允许就分配资源
+    * 各种可能模式
+      * 定期检查死锁是否已经发生
+    * 主要优点
+      * 不延长进程初始化时间，允许对死锁进行现场处理
+    * 主要缺点
+      * 通过剥夺解除死锁，造成损失
+
+#### 安全性算法和银行家算法例题举例
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+![](../../images/安全性算法和银行家算法举例.jpg)
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+安全性算法解法
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+![](../../images/安全性算法和银行家算法举例安全性算法解法.jpg)
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+银行家算法解法
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+![](../../images/安全性算法和银行家算法举例银行家算法解法.jpg)
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